馮 威,李玉龍,朱曉東

(成都大學(xué)工業(yè)制造學(xué)院,四川成都 610106)

0 引 言

鎢銅復(fù)合材料具有耐電壓強(qiáng)度高和電燒蝕性能低的特點,自從20世紀(jì)30年代首次研制成功后,便逐漸成為高壓電器開關(guān)的關(guān)鍵材料.到了20世紀(jì)60年代,鎢銅復(fù)合材料逐步開始被用作電阻焊接、電加工的電極材料和航天技術(shù)中的耐高溫零部件材料等.20世紀(jì)90年代后,隨著大規(guī)模集成電路和大功率電子器件的發(fā)展,鎢銅復(fù)合材料作為升級換代的產(chǎn)品開始大規(guī)模被用作電子封裝和熱沉積材料,同時,鎢銅復(fù)合材料還作為導(dǎo)彈噴管材料和破甲彈藥型罩材料,成功地被應(yīng)用到軍事工業(yè)中.隨著電子工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,對高性能鎢銅復(fù)合材料的需求越來越迫切[1].經(jīng)過了幾十年的研究和發(fā)展,鎢銅復(fù)合材料的制備技術(shù)取得了很大進(jìn)步,一些新工藝、新技術(shù)也已在生產(chǎn)中推廣和應(yīng)用,但怎樣制備出性能更為優(yōu)異的新型鎢銅材料仍是鎢銅材料研究中十分重要的課題,其制作工藝仍需要進(jìn)行更為深入地研究[2].本文對當(dāng)前國內(nèi)外鎢銅復(fù)合材料的最新研究成果進(jìn)行了總結(jié),并在調(diào)研、分析的基礎(chǔ)上介紹了當(dāng)前鎢銅復(fù)合材料的應(yīng)用、制備和致密化技術(shù),敘述了各種工藝及其特點,并對鎢銅復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了展望.

1 鎢銅復(fù)合材料的制備方法

1.1 高溫液相燒結(jié)法制備鎢銅復(fù)合材料

高溫液相燒結(jié)法,是將鎢粉和銅粉按一定比例進(jìn)行配料、混合(同時加入潤滑劑)、成形,并在銅與鎢熔點之間的溫度下進(jìn)行材料的燒結(jié)和致密化的鎢銅復(fù)合材料制備方法.這種方法的特點是生產(chǎn)工序簡單易控,但燒結(jié)溫度高、燒結(jié)時間長、燒結(jié)的性能較差,復(fù)合材料燒結(jié)致密度只為理論密度的90%～95%,很難得到高致密度的鎢銅合金.這是由于在普通狀態(tài)下液相銅在鎢表面的潤濕性不好,所以在采用普通的“粉末混合+成型+燒結(jié)”工藝制備鎢銅合金時,其燒結(jié)致密化過程不會發(fā)生K ingery理論[3]中的溶解析出機(jī)制,而主要是由顆粒的重排機(jī)制所控制.人們?yōu)榱颂岣哌@種方法的燒結(jié)致密度,就不得不增加復(fù)雜的燒結(jié)后處理工序,如復(fù)壓、熱鍛、熱壓等,從而增加了制備工藝的復(fù)雜性,使這種制備方式的應(yīng)用受到一定的限制.

1.2 熔滲法制備鎢銅復(fù)合材料

熔滲法,是先制備出一定密度、強(qiáng)度的多孔鎢顆粒骨架,再利用金屬銅液在毛細(xì)管力作用下沿鎢顆粒間隙流動并對多孔鎢骨架進(jìn)行填充和潤濕的方法[4,5].用熔滲法制備高鎢鎢銅復(fù)合材料的優(yōu)點是致密度高,燒結(jié)性能好,熱導(dǎo)和電導(dǎo)性能好,缺點是熔滲后需要進(jìn)行機(jī)加工以去除多余的滲金屬銅,增加了機(jī)加工費(fèi)用,降低了成品率.熔滲法對進(jìn)一步改善復(fù)合材料的韌性有一定好處,因此,熔滲法是目前制備高鎢鎢銅復(fù)合材料應(yīng)用最為廣泛的方法[6-8].

1.3 活化液相燒結(jié)法制備鎢銅復(fù)合材料[9-14]

鎢銅復(fù)合材料的活化液相燒結(jié),是指在鎢銅復(fù)合材料中加入Co、Ni、Fe、Pd等第三種活化金屬元素來促進(jìn)與改善鎢銅復(fù)合材料燒結(jié)過程的一種特殊方法.通過添加Ni、Pd等元素,能提升鎢在銅液相中的溶解度,使銅對鎢的浸潤性得到明顯改善,相對致密度得到提高.通過添加Co或者Fe,能夠促進(jìn)固相鎢顆粒之間的燒結(jié),使鎢銅復(fù)合材料相對致密度、斷裂強(qiáng)度和硬度會出現(xiàn)快速增加.但遺憾的是,活化劑的加入會影響鎢銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)、電導(dǎo)性能,這對導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能要求較高的電子材料來說是極為不利的,所以該方法一般只應(yīng)用于對熱導(dǎo)、電導(dǎo)性能要求不高的鎢銅復(fù)合材料的制備上.

1.4 機(jī)械合金化鎢銅粉的燒結(jié)

機(jī)械合金化鎢銅粉的燒結(jié)法,是指將經(jīng)過高能球磨等處理并實現(xiàn)了鎢與銅之間機(jī)械合金化的鎢銅粉末進(jìn)行相應(yīng)燒結(jié)的一種方法[15].通過對鎢銅粉末進(jìn)行機(jī)械合金化處理,一方面可以使金屬粉末粒度減小,使鎢顆粒在銅液相作用下重排距離縮短,并使鎢、銅粉末間的均勻性和兩相分布狀態(tài)得到改善,強(qiáng)化鎢銅復(fù)合材料的致密化過程,提高鎢銅體系的燒結(jié)特性;另一方面,機(jī)械合金化處理可以使金屬粉末產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變、高密度缺陷和納米級的精細(xì)結(jié)構(gòu),使粉末體系的熱力學(xué)和動力學(xué)特征具有偏離平衡態(tài)的屬性,如更高的表面能和表面活性,更大的燒結(jié)驅(qū)動力和更好的燒結(jié)性能等[16].目前,機(jī)械合金化鎢銅復(fù)合粉末的最大缺點是長時間球磨帶來的雜質(zhì),而這將降低燒結(jié)后的鎢銅復(fù)合材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,而且因為機(jī)械合金化的生產(chǎn)周期較長、效率低,限制了它在實際生產(chǎn)中的進(jìn)一步應(yīng)用[17,18].

1.5 鎢銅復(fù)合材料的快速定向凝固技術(shù)

鎢銅復(fù)合材料的快速定向凝固技術(shù),是利用鎢銅合金在快凝固速度(1 000～1 000 000 K/s)與大過冷度作用下,合金元素在固相中的溶解度擴(kuò)大,晶粒組織細(xì)化,偏析顯著減少,從而使鎢銅合金能保持很好的導(dǎo)電性能,更高的室溫和高溫強(qiáng)度,更好的耐磨和耐腐蝕性能的一種特殊制備方法[19].定向凝固技術(shù)的冷卻速率可以通過對凝固過程中固液界面的溫度梯度和生長速率進(jìn)行調(diào)節(jié)來實現(xiàn),具體的方法有深過冷定向凝固、電磁約束成形定向凝固等.但是,目前還存在一些制約快速定向凝固技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的因素,例如,如何采用該方法來制備具有一定外形的零件,如何控制熱流的方向等.

1.6 共還原法制備鎢銅復(fù)合材料

鎢銅復(fù)合材料的共還原法燒結(jié),是指將鎢和銅的氧化物粉末進(jìn)行混合、壓制與成型后,在還原性氣氛中進(jìn)行燒結(jié)的一種方法.由于鎢和銅的氧化物粉末較純金屬鎢和銅粉末的制造工藝更為簡單,更易達(dá)到超細(xì)彌散狀態(tài),采用這兩種金屬氧化物粉末進(jìn)行共還原燒結(jié)時,在固態(tài)和液相燒結(jié)過程中都呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的致密化效果,并且鎢與銅的氧化物都容易被氫還原成金屬.因此,采用共還原法來制備成分均勻的鎢銅復(fù)合材料一直被研究人員所關(guān)注[20].Sebastian等[21]用鎢銅氧化物共還原粉末在高的彌散狀態(tài)下靠毛細(xì)管作用引起的顆粒重排實現(xiàn)了鎢銅復(fù)合材料的全致密化,其燒結(jié)相對密度接近100%.

雖然采用共還原法制備的鎢銅復(fù)合材料具有性能優(yōu)良的特性,但其大批量的應(yīng)用卻有一定的困難,一方面是這種方法工藝復(fù)雜,生產(chǎn)效率低,而且氫氣的還原過程不易控制;另一方面是該方法僅適用于銅含量大于25%的鎢銅復(fù)合材料,對于銅含量小于20%的鎢銅復(fù)合材料,此種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品相對致密度還較低.

2 新型鎢銅復(fù)合材料的應(yīng)用

2.1 微電子技術(shù)應(yīng)用

鎢銅復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱、耐熱性的特性,可以大大提高其在微電子器件的使用功率,它適宜的熱膨脹系數(shù)可以與微電子器件中的硅片、砷化鎵等半導(dǎo)體材料及陶瓷材料很好匹配連結(jié),從而避免了熱應(yīng)力所引起的熱疲勞破壞[22,24].鎢銅復(fù)合材料還可以進(jìn)行凈尺寸成形,因此可以實現(xiàn)器件的小型化.同時,鎢銅復(fù)合材料還可以通過改變鎢與銅含量來調(diào)節(jié)其膨脹系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù),所以近年來鎢銅復(fù)合材料作為基片、嵌塊、連接件和散熱件等元件在大規(guī)模集成電路和大功率微波器件中得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[23,24].

2.2 電觸頭和電加工

由于銅的熔點與沸點遠(yuǎn)低于鎢的熔點與沸點,在電弧的高溫作用下,鎢銅復(fù)合材料可以通過銅的“發(fā)汗”作用帶走大量的熱量,從而使鎢骨架冷卻并保持良好的力學(xué)性能,保證電觸頭的開斷功能[25,26].所以,鎢銅復(fù)合材料這種良好的抗電腐蝕、抗熔焊和耐電壓特性,特別適合于制作高壓及超高壓開關(guān)電器的觸頭,但隨著開關(guān)電器向更高電壓、更大容量發(fā)展,對鎢銅材料的技術(shù)要求也不斷提高,真空開關(guān)電器的出現(xiàn),已成為鎢銅材料重要的應(yīng)用新領(lǐng)域,促進(jìn)了真空用鎢銅合金的開發(fā)和應(yīng)用.目前,各種先進(jìn)的電加工技術(shù)的發(fā)展,也成為高耐熱、高導(dǎo)電導(dǎo)熱和抗電弧燒結(jié)的鎢銅復(fù)合材料的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域[26,27].這一系列電器除了要求元件在真空下使用,并且使用條件復(fù)雜,品種繁多,因此,除了要符合真空條件外,還要求鎢銅復(fù)合材料的組織盡可能均勻致密,性能更加穩(wěn)定.

2.3 軍用鎢銅復(fù)合材料

從20世紀(jì)60年代起,美國便開始將鎢銅合金用于火箭、導(dǎo)彈的噴管喉襯、燃?xì)舛妗⒈清F等高溫部件,其應(yīng)用原理是當(dāng)燃?xì)獾臏囟冉咏踔脸^合金的熔點(3 000℃)時,銅在2 580℃(0.1 MPa)蒸發(fā)而吸收大量熱量并為鎢骨架提供良好的冷卻效果,從而保證部件的正常工作.而美國、法國、以色列等對鎢銅藥型罩材料研究結(jié)果表明,在3倍口徑炸高的條件下,其破甲深度可以比純銅藥型罩提高30%,這是由于鎢銅復(fù)合材料的高密度、高聲速、良好的導(dǎo)熱性及高動態(tài)斷裂延伸率等性能,使藥型罩形成了更長而且穩(wěn)定的射流,從而大大提高了破甲彈的破甲威力.此外,近年來,由于鎢銅合金的耐熱性、高導(dǎo)電性、抗電弧和抗摩擦等優(yōu)異性能,其作為電磁炮的導(dǎo)軌材料逐漸開始得到應(yīng)用[28].隨著高性能鎢銅合金研究的進(jìn)一步發(fā)展,其在冶金、航天和軍事工業(yè)中的應(yīng)用還將會不斷拓展.

2.4 壓鑄模具

由于壓鑄模具的表面與內(nèi)部溫差較大,造成內(nèi)外層體積不同變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力很大.壓鑄有色金屬銅制作燃?xì)庠顮t頭時,如使用3Cr2W8V作為壓鑄模具,壽命大約僅為1 000～2 000次/件,采用銅鎢合金后,模具壽命將超過5 000次/件,如果進(jìn)一步改善壓鑄工藝(如預(yù)熱溫度),模具使用前進(jìn)行預(yù)熱處理工藝,還能達(dá)到更好的效果[29].

2.5 軋鋼導(dǎo)衛(wèi)

鋼在熱軋時,其導(dǎo)衛(wèi)表面溫度會升高到700～800℃,導(dǎo)衛(wèi)必須承受高溫摩擦、高溫氧化與膨脹應(yīng)力等多種考驗.此外,鋼在熱軋時會迅速氧化,產(chǎn)生的氧化鐵皮脫落在鋼與導(dǎo)衛(wèi)相對運(yùn)動時還會形成磨粒磨損.軋鋼導(dǎo)衛(wèi)過去常使用鑄鐵、鎳鉻合金、硬質(zhì)合金等材料制作,但其使用效果都并不十分理想,采用銅鎢復(fù)合材料制作后,導(dǎo)衛(wèi)壽命可以提高3～4倍,導(dǎo)衛(wèi)本身的消耗及更換導(dǎo)衛(wèi)的次數(shù)大大減少,軋鋼作業(yè)效率快速提高[30].此外,采用銅鎢復(fù)合材料還可以避免“粘鋼”現(xiàn)象發(fā)生,從而可以進(jìn)一步減少鋼材表面的掛傷,提高鋼材表面質(zhì)量.目前,在軋鋼的精軋與預(yù)精軋道次的進(jìn)出口導(dǎo)衛(wèi)、扭轉(zhuǎn)管的關(guān)鍵部位,使用的全部都是鎢銅復(fù)合材料.

3 結(jié)論與展望

鎢銅復(fù)合材料雖然已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的許多方面,其制備新工藝、新技術(shù)也日趨成熟,但仍存在一些亟待解決的問題.其中,最重要的一點便是目前很多高性能鎢銅復(fù)合材料雖然能夠在實驗室中研制成功,但離真正意義上的工業(yè)化生產(chǎn)還具有一定的距離.因此,開發(fā)出簡單易行的鎢銅復(fù)合材料制備技術(shù)將是未來鎢銅復(fù)合材料制備工藝研究的熱點.近年來,隨著超細(xì)粉末制取工藝的發(fā)展,采用共還原超細(xì)鎢銅混合化合物制得超細(xì)鎢銅混合粉末,以及采用高能球磨工藝制取納米晶鎢銅混合粉末等新工藝的出現(xiàn),使得超細(xì)粉末制備鎢銅合金的優(yōu)勢逐漸得到體現(xiàn).由超細(xì)鎢銅粉末制備的鎢銅復(fù)合材料具有非常高的致密度和高的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能,具有按傳統(tǒng)常規(guī)方法制備的鎢銅復(fù)合材料所無法比擬的優(yōu)點.這是因為超細(xì)粉末具有一系列優(yōu)良的特點:如粉末的晶粒細(xì)小(100 nm以下),比表面積大,粉末之間的接觸界面大,表面活性大,燒結(jié)驅(qū)動力大,燒結(jié)溫度低且致密化快等,這也使得直接一次性燒結(jié)制備高密度鎢銅復(fù)合材料成為可能[31].由于這種工藝改變的只是粉末原料,而對其他制備工藝如壓制成型與燒結(jié)方法尚無太高的要求,因此研究超細(xì)鎢銅混合粉制備高性能鎢銅復(fù)合材料將是一條較有前景的規(guī)模化生產(chǎn)高性能鎢銅復(fù)合材料的途徑,它的實現(xiàn)將進(jìn)一步擴(kuò)大鎢銅復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域,大大提高我國鎢銅合金及元器件工業(yè)制備技術(shù)的水平,并可充分發(fā)揮我國鎢資源豐富的優(yōu)勢.

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